In Biogasanlagen werden organische Materialien, wie Pflanzenreste und vor allem Energiepflanzen oder Gülle in methanhaltiges Biogas umgewandelt, aus dem Strom, Wärme und Treibstoff gewonnen werden können. Vor allem werden auch Energie-pflanzen wie zum Beispiel Mais beigefügt, um den Energieertrag zu erhöhen. In der Biogasanlage, die als Kohlenstoffdioxid-Lieferant für die Methanisierung in der Audi-e-gas-Anlage in Werlte dient, werden ausschließlich Reste verwendet, die ohnehin nicht gebraucht werden und keine ausschließlich dafür angebauten Pflanzen. Das liegt daran, dass es als ethisch nicht vertretbar gehalten wird, Pflanzen zu benutzen, um Treibstoff herzustellen, wenn man die Pflanzen oder die dafür benötigte Ackerfläche ebenfalls zur Nahrungsmittelproduktion verwenden kann.9
4.1.1 Aufbau der Biogasanlagen
Abb. 4: Aufbau von Biogasanlagen
In Biogasanlagen wird Biomasse benötigt. Diese ist zumeist Reststoffe aus organi-schem Material, welches in der Landwirtschaft in großen Mengen anfällt, da sowohl tierische Abfälle wie Gülle, als auch pflanzliche Abfälle wie Pflanzenreste als Substrat geeignet sind. Wichtig dabei ist nur, dass das Substrat unter anaeroben Bedingungen, also unter Ausschluss von Sauerstoff, vergären kann. Oft werden auch speziell für Bio-gasanlagen Pflanzen, wie Mais oder Getreide, gezüchtet, die dann als Ganzes verar-beitet werden. Dadurch erhöht sich der Energieertrag aus den Biogasanlagen. In jedem Fall wird das verwendete Substrat zuerst in der sogenannten Vorgrube gesammelt.
Diese Vorgruben können Silos, Güllegruben oder andere Annahmestellen sein, die mit
9 Vgl. Audi-e-gas-project: Internetseite
Sortierungs- und Reinigungssystemen für die jeweiligen Substrate verbunden sind.
Die Vorgruben haben nicht nur die reine Lagerfunktion, sondern dienen ebenso zur Trennung und Aufbereitung der Biomasse. Am Beispiel der Gülle, die ein tierisches Produkt ist und Krankheitserreger enthalten kann, heißt das, dass zunächst alle poten-tiellen Erreger abgetötet werden müssen. Dies ist ein Schritt, der der Vorgrube neben-geschaltet ist. Der wichtigste Schritt bei einer Biogasanlage findet in Fermenter statt.
Hier wird die Biomasse aus der Vorgrube möglichst gleichmäßig eingeleitet. Im Fer-menter wird das Substrat dazu gebracht unter Ausschluss von Sauerstoff und mithilfe von Bakterien und Enzymen zu vergären. Damit die Biomasse vergärt, muss der Fer-menter verschiedene Anforderungen erfüllen, und zwar, dass er gas- und wasserdicht und lichtundurchlässig ist, da die Bakterien und Enzyme das Substrat sonst nicht zer-setzen können. Werden diese Bedingungen erfüllt, kann der Gärungsprozess stattfin-den. Dieser läuft mithilfe der Mikroorganismen ab, die das Gärsubstrat zersetzen, wodurch das Biogas als Produkt anfällt.10
5 Energetische Berechnungen
Wie bereits erwähnt, wird für die Elektrolyse Energie in Form von elektrischer Energie benötigt, da man eine Spannung anlegen muss, damit die Reaktion überhaupt stattfin-det. Dies zeigt sich auch in der Reaktionsenthalpie:
Bei der Reaktion die durch folgende Reaktionsgleichung beschrieben werden kann 4OH−(aq) + 4H3O+(aq) → O2 (g) + 2H2 (g) + 6 H2O(l)wird die Reaktionsenthalpie wie folgt berechnet:
∆HR = 6∙ (-286 kJ∙ mol-1) – (4∙ (-230 kJ∙ mol-1) + 4∙ (-286 kJ∙ mol-1)) = 348 kJ∙mol-1 Da das Ergebnis positiv ist, handelt es sich um eine endotherme Reaktion, das heißt, dass Energie zugeführt werden muss. Hier sieht man, dass es wichtig ist, dass der Strom für die Elektrolyse aus regenerativen Quellen stammt, da die genutzte Energie andernfalls nicht nachhaltig produziert würde und das Verfahren des Audi-e-gas-pro-jects somit weniger nachhaltig wäre, als direkt Erdöl zu verwenden. Das liegt vor allem daran, dass der Strom aus konventionellen Quellen zum Teil durch die Verbrennung von Erdöl und Kohle erzeugt wird11, weshalb es nicht nachhaltig und nicht sinnvoll wäre, diesen zu beziehen.
10 Vgl. Biogasanlagen: Internetseite
11 Vgl. Stromaufteilung nach Energieträgern: Internetseite
Bei der Methanisierung wird in der Bilanz Energie frei. Die Reaktionsenthalpie für die Reaktion CO2(g) + 4 H2(g) → CH4 (g) + 2H2O (l) lässt sich wie folgt berechnen:
∆HR = -74,85 kJ∙ mol-1 + 2∙ (-286 kJ∙ mol-1) – (-393,5 kJ∙ mol-1) ≈ -253 kJ∙ mol-1 Das Ergebnis ist negativ, das heißt, dass es sich um eine exotherme Reaktion handelt.
Dabei wird also Energie, hier in Form von Wärme, frei. Diese Wärme wird ebenfalls genutzt, um zum Beispiel die Biogasanlage mit Wärme zu versorgen. Insgesamt wird aber weniger Energie frei, als bei der Elektrolyse hinzugeführt werden muss, denn um bei der Elektrolyse vier Wasserstoffmoleküle zu erhalten, welche bei der Methanisie-rung benötigt werden, muss die Reaktion zweimal ablaufen. Es muss also die doppelte Menge an Energie zugeführt werden. Es werden also 696 kJ∙ mol-1 benötigt, um so viel Wasserstoff herzustellen, dass die Methanisierung ablaufen kann. Dabei werden aber nur 253 kJ∙ mol-1 frei. In der Bilanz werden also 443 kJ∙ mol-1 benötigt.
6 Zukunftspotenzial und Alltagstauglichkeit
Der in der Audi-e-gas-Anlage in Werlte stattfindende Prozess ist sehr innovativ, da es fast möglich ist Energie in Form von Methan CO2 – neutral zu verbrauchen. Auf lang-fristige Sicht kann so der allgemeine CO2 – Ausstoß erheblich verringert werden. Das Verringern von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre würde dazu führen, dass dem Klimawandel entgegengewirkt wird, da dieses Gas ein Treibhausgas ist und deshalb zur Erwärmung der Luft auf der Erde führt, wodurch der Klimawandel gefördert wird.
Dadurch, dass in der Theorie nicht noch mehr Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre abgegeben wird, sondern eine Art Kohlenstoff-Kreislauf entsteht, würde der Klima-wandel zumindest nicht weiter gefördert werden. Wenn man also zum Beispiel mit einem Auto fährt, dessen Treibstoff e-gas ist, wird zwar Kohlenstoffdioxid ausgesto-ßen, allerdings wird es von den Pflanzen, die für die Zersetzung in der Biogasanlage anfallen, wiederaufgenommen und dann zunächst in der Biogasanlage in Methan um-gewandelt. Das restliche Kohlenstoffdioxid, welches ebenfalls als Produkt in der Bio-gasanlage anfällt, wird in der Audi-e-gas-Anlage in Werlte dann ebenfalls wieder zu Methan umgewandelt. Das gesamte Methan wurde dann quasi aus Kohlenstoffdioxid gewonnen und kann erneut als Treibstoff oder Ähnliches dienen. Momentan gibt es jedoch nicht nur Kraftfahrzeuge, die mit Methan betrieben werden, sondern vor allem solche, die Benzin oder Diesel als Treibstoff benötigen. Diese lassen sich aber eben-falls synthetisch herstellen. Dann spricht man von den sogenannten e-fuels. Vor allem
e-gas beziehungsweise Methan wird aber auch für andere Zwecke genutzt, wie zum Beispiel für die Erzeugung von Wärme oder Strom. Selbst wenn irgendwann alle Kraftfahrzeuge elektrisch oder mit Brennstoffzellen-Motoren fahren sollten, gäbe es dennoch einen Nutzen für Methan. Hier muss allerdings die Bedingung sein, dass der Strom für die Elektrolyse aus regenerativen Quellen stammt.
7 Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Umwandlung von Kohlenstoffdioxid in Methan ein sehr sinnvoller und vor allem nachhaltiger Schritt in Richtung Klimaneu-tralität ist. Auch wenn dieses Verfahren komplexer ist, als die einfache Förderung von Erdgas, ist es in Bezug auf die Zukunft notwendig. Gerade auch, da immer mehr Elek-trizität aus regenerativen Quellen gewonnen wird, ist dies eine sinnvolle Möglichkeit, Überkapazitäten effektiv zu nutzen. Außerdem wird in diesem Verfahren mit bereits vorhandenen Mitteln gearbeitet und es ist zunächst nicht nötig, komplexe Versor-gungsnetze zu errichten. Wenn man nun noch bedenkt, dass auch größere Moleküle, wie die des Benzins synthetisiert werden können, lässt sich sagen, dass zukünftig mög-licherweise gar kein Erdgas beziehungsweise Erdöl mehr gefördert werden muss.
8 Quellenverzeichnis
Titelblatt Bild: „Erdgas / e-gas“, eigene Darstellung
Titelblatt Logo: „Marianum Logo“, https://iserv-mari-anum.de/iserv/logo/logo.png
Abb.1: „Überblick Audi-e-gas-Anlage“, zugeschnitten nach: https://me- dia.energie-stellenmarkt.de/uploads/2017/06/dena_Anwendungsfelder_Po-wertoGas-696x419.jpg
Abb.2: „Elektrolyse von Wasser“, eigene Darstellung
Abb.3: „Methanisierungsanlage“, eigene Darstellung
Abb.4: „Aufbau von Biogasanlagen“, verändert nach: https://www.sw-kas-sel.de/fileadmin/_processed_/f/f/csm_biogasanlage-01_69d30e5b31.png